寧波材料所在層次有序多孔碳材料研究中取得進(jìn)展
多孔碳材料具有高表面積、孔結(jié)構(gòu)可調(diào)、化學(xué)及物理性能穩(wěn)定、原料豐富易得等優(yōu)點(diǎn)，在氣體或液體的吸收、分離、能源催化、及電存儲等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。然而，與多孔金屬、多孔聚合物等材料不同，一方面因碳材料鍵的極性較弱，導(dǎo)致超親水多孔碳材料制備困難；另一方面，傳統(tǒng)有機(jī)軟模板復(fù)合無機(jī)硅硬模板的雙模板法在制備多孔碳材料時(shí)存在蝕刻犧牲模板、孔結(jié)構(gòu)層級有序可控難等缺點(diǎn)。
前期，受自然界植物本體結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，中科院海洋新材料與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的先進(jìn)碳基薄膜技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)，利用有胚植物界植物的葉、莖、種子作為模板，通過酚醛樹脂溶液浸泡復(fù)合后續(xù)熱處理，提出了獲得系列超親水（接觸角接近0°）仿生多孔碳材料的制備新方法（發(fā)明專利：201610986468.1），且該類材料在大氣環(huán)境下的超親水特性可長時(shí)間穩(wěn)定（超過50天）。
楓葉（a-b）、白菜(c-d)、松木(e-f)等作為硬模板制備仿生多孔碳材料的前后結(jié)構(gòu)對比
近期，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步與韓國科學(xué)技術(shù)研究院（KIST）材料計(jì)算研究中心合作，通過特殊設(shè)計(jì)的雙模板法，實(shí)現(xiàn)了具有大孔-介孔層次有序結(jié)構(gòu)的多孔碳材料制備，該材料具有優(yōu)異的親水性能和可控導(dǎo)電性。研究人員使用PET無紡布作為硬模板，嵌段聚合物F127作為軟模板，酚醛樹脂作為碳源，經(jīng)過碳化，無紡布纖維分解產(chǎn)生了大孔通道，同時(shí)纖維表面的酚醛樹脂成為碳骨架，其中的嵌段聚合物分解產(chǎn)生介孔結(jié)構(gòu)。碳化后的酚醛樹脂為親水材料，大孔結(jié)構(gòu)提供了水分運(yùn)輸?shù)耐ǖ?，介孔結(jié)構(gòu)進(jìn)一步增加了水與固體表面的接觸面積，使得水在其表面迅速鋪展并滲透。此外，調(diào)節(jié)碳化工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)電性能的大幅調(diào)控。例如，在600 °C碳化1 min的多孔碳材料電阻率為5.43×103 Ωm，但在900 °C碳化60 min后電阻率急劇低至3.50×10-3 Ωm。此外，因多孔結(jié)構(gòu)大比表面積利于溶液中導(dǎo)電粒子與材料的接觸，研究人員發(fā)現(xiàn)該多孔碳材料在檢測甲醇濃度時(shí)具有極高靈敏度。當(dāng)甲醇溶液濃度從2 Mol/L增加至5 Mol/L，溶液電阻率從5.04 Ωm增加至 1.27×102 Ωm，變化約27倍，遠(yuǎn)高于現(xiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道的靈敏度。這一結(jié)果為發(fā)展水介質(zhì)環(huán)境的高靈敏檢測材料技術(shù)提供了新的設(shè)計(jì)思路。
雙模板法制備多孔碳材料示意圖、及多孔碳材料的形貌圖
具有不同多孔結(jié)構(gòu)的材料潤濕性隨時(shí)間變化
多孔碳材料用于H2O2檢測的示意圖，及不同孔結(jié)構(gòu)在不同甲醇溶液濃度中的電阻變化
上述研究工作近期發(fā)表在Advance Engineering Materials, 00(2017)1700608，(DOI: 10.1002/adem.201700608）雜志上，并被Advanced Science News作為亮點(diǎn)新聞給予了報(bào)道（http://www.advancedsciencenews.com/hierarchically-porous-carbon-fabric-highly-sensitive-electrochemical-sensors/）。論文第一作者為博士生焦圓，中科院海洋新材料與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的汪愛英研究員和韓國科學(xué)技術(shù)研究院的Myong-Woon Moon研究員為共同通訊作者。該工作得到了國家基金委優(yōu)秀青年基金（51522106）、國家留學(xué)基金委（201504910643）等項(xiàng)目的資助。
（表面工程事業(yè)部/海洋重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 焦圓）